论文总字数：15042字

摘 要

VR和AR由于其沉浸感、多感知、交互性和自主性的特点，近年来有较快的发展速度和较宽广的发展领域。在教育领域对应时代需求的变化，也对许多学科的教学模式产生重大影响。

本文对VR/AR技术如何应用到工业工程教学实验进行研究。首先分析了研究的背景和意义，介绍了VR/AR技术的基本原理、发展概况、为什么有助于学习和训练以及在教育中的应用。根据学科目标和特性，提出了面向未来的工业工程“三方向、三类别、四模块、三层次”的实验课程体系。针对工业工程现教学实验的缺陷，引入VR/AR技术并分析VR/AR技术给教学实验带来的一系列优势，从当今技术能给出的实际条件出发，将虚拟现实技术与教学情景相融合，提出了一套以优质教学资源为核心，集终端、应用系统、云平台、课程内容于一体的切实可行的AR实验室和完全沉浸式VR实验室设计方案。

关键词：VR/AR 虚拟现实 实验教学 工业工程

Application Research of VR/AR Technology in Industrial Engineering Experiment Teaching

Abstract

Due to its immersion, multi-perception, interactivity and autonomy, VR and AR have a relatively fast development speed and a wide development field in recent years. Changes in the educational field in response to the needs of the times have also had a major impact on the teaching models of many disciplines.
Firstly, it analyzes the background and significance of the research, and introduces the basic principles, development overview of VR/AR technology, why it is helpful for learning and training, and its application in education. According to the subject objectives and characteristics, the experimental course system of “three directions, three categories, four modules and three levels” of industrial engineering for the future is proposed. In view of the shortcomings of the current teaching experiments in industrial engineering, the introduction of VR/AR technology and analysis of a series of advantages brought by VR/AR technology to teaching experiments, from the practical conditions that can be given by current technology, the fusion of virtual reality technology and teaching scenarios A set of practical AR labs and fully immersive VR lab design schemes with high-quality teaching resources as the core and integrating terminal, application system, cloud platform and course content are proposed.

Key Words: VR/AR; Virtual Reality; Experimental teaching; Industrial Engineering

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.2课题研究的内容和方法 1

1.3课题研究的意义 2

第二章 VR/AR的基本原理及方法 3

2.1 VR/AR技术的发展概况 3

2.2 VR有助于更有效地学习和训练 4

2.3 VR/AR在教育中的应用 5

第 三 章 工业工程实验教学体系 6

3.1 学科特性 6

3.2 实验内容构成 6

3.3 实验模式 7

3.4未来IE实验教学课程框架 7

第四章 VR/AR对工业工程实验教学模式的改变 8

4.1 工业工程实验教学的固有缺陷 8

4.2融入VR/AR的工业工程实验教学的优势 8

第五章 增强现实(AR)仿真实验室设计 10

5.1实验仪器设备 10

5.2 实验材料 10

5.3实验教学方法 11

5.4实验步骤 11

第六章 完全沉浸式虚拟现实(VR)实验室设计 15

6.1 核心实验设备及功能 15

6.2虚拟内容方案 18

6.3 VR/AR教学体验设计 22

6.4 VR 实验室教学设计 26

第七章 结论与展望 28

7.1 结论 28

7.2 展望 28

第一章 绪论

1.1课题研究的背景

工业工程实验教育是一个以信息技术为特征的实验领域，适应信息时代高等教育开放教育和资源共享的改革需求，探索学生的学习和体验。提供先进工具，开放平台和高质量资源的实验和创新方法。它提高了人力资源教育的质量，为实验教学改革和实验室建设注入了活力和动力。同时，国内IE培训系统存在以下问题：

（1）各实验相互独立。每个模块的实验都忽略了工业工程各个过程之间密切关系的本质，只关注个人知识和技能的测试，缺少全面地实验教学。

（2）实验方法和内容老旧。仍然使用秒表计时等方法进行方法研究和作业测量，质量控制实验仍然使用手动测量数据，而且数据与实际生产过程无关。

（3）专业课程模式简单，缺乏全方位的体验环节，只有在课堂上的理论叙事，限制了学生地想象力。

（4）实验主要是由于缺乏验证，综合设计和开放式实验，这对学生培养实践技能和创造力极为不利。

（5）理论过程枯燥乏味，学生对复杂技术原理的理解既缓慢又困难。

（6）实验培训成本高，风险高，存在安全事故风险。

（7）相关应用场景复杂，无法实现多种场景的应用培训。

（8）产品结构复杂，学生没有机会进行拆卸和维护工作。练习和训练的机会很少。

1.2课题研究的内容和方法

结合智能眼镜，多媒体，系统设备，设计VR/AR实验室，设计虚拟现实故事情境，学生不仅可以应用和练习互动教学，还可以身临其境企业中地各种沟通交流和分析决策。通过结合听觉，视觉和认知原则，真正实现了体验现实世界的行为。物理现象，认知原则和实际操作都充满了便携性。

1.3课题研究的意义

通过VR/AR技术丰富学生的实训体验。由于这些虚拟现实系统并不危险，因此学生可以反复练习，直到获得操作技能。 VR/AR技术的应用还可以显示复杂、抽象和无法勘测的自然现象，并能全面多角度地显示训练内容。运用计算机多媒体技术创建各种虚拟课件，让学生通过允许他们进行模拟实验来丰富他们的课程。

第二章 VR/AR的基本原理及方法

2.1 VR/AR技术的发展概况

虚拟现实技术VR，是通过计算机图形系统以及多种传感器控制设备将人带入虚拟世界中，并与虚拟世界产生各种交互，只有强烈的沉浸式体验,增强现实技术AR是把原本在现实世界一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息、声音、味道、触觉等），通过科学技术模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验,VR和AR技术的基本特征包括以下三点^[12]。

多感知性，理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能，指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有触觉感知、听觉感知，行动感知甚至还包括味嗅觉感知等^[12]。

沉浸感，即使用者以第一人称的视角存在于虚拟环境中，让使用者投身于其中难辨真假。

交互性，是指使用者对虚拟环境内虚拟物体的可操作程度和得到反馈的自然程度,自主性指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度^[12]。

虽然VR/AR技术发展时间较短，还有设备笨重和昂贵、速度慢容易眩晕、内容总量等不完善的问题，但已经在医学、娱乐、军事、房地产设计等多个领域获得迅速的推广。

Mediated Reality（介导现实）是物理和虚拟现实的中介是一个更加抽象的概念。在这三者之间，物理和虚拟的比例各不相同。

简单来说三者之间地区别：

AR 增强现实 ：在现实世界叠加数字创建内容^[15]。

VR 虚拟现实 ：阻挡现实世界，创建一个全数字化、身临其境的虚拟体验^[15]。

MR 混合现实 ：在现实世界中创建内容^[15]。

2.2 VR有助于更有效地学习和训练

2.2.1通过动作个人记忆和学习效果更好

事实上，人们在深入参与中会学得更快。因此，“边做边学”表示当人执行动作时的概念，而不仅仅是阅读或聆听。通过大脑，让他们记住信息，使影响大脑，动作和知识的神经联系会更快。人们可以通过环境交互、测试并修复个人错误。

2.2.2模拟“通过实践学习”代表实际的建模机制

人脑所进行地一系列VR实训和现实生活表现是相同的。而且，学习者知道这两种情景之间的区别。在实际环境中，不同的行为具有不同的结果，但是我们不能逆转，如果我们要比较不同的测试结果，就得投入大量的时间和金钱。 VR培训可以有效地解决这些问题，同时模拟实际体验中的可比环境。无论是消耗品或是时间成本，其好处都是显而易见的。

2.2.3可视化是在VR环境中学习的有效方式

因为它可以帮助您以实际促进学习过程的方式进行实际工作，例如执行特定任务。按下按钮通过像实际动作一样激活同一大脑中的神经元，允许学习者发展他或她的“行为记忆”。

2.2.4 VR环境的可逆性

在VR环境中使用者可以各种教育活动的结果是相同的，具有可逆性等优点。在恶劣或危险的环境中虚拟现实实验教学地优势就更加显而易见了。

2.3 VR/AR在教育中的应用

由于VR教育从2D变为3D，用户可以专注于整个观点，课程也受课程计划的影响。 每组VR眼镜可以集中或独立操作。教师的平台系统有很多功能，包括：可以控制和监督学生学习的整个过程、可以一键统计所有的VR眼镜所得出的课程数据、可以一键打印学生的成绩单、可以随时调整教学方法。在交互学习的过程中学生还可以进行自由地探索。教育方式的改变让学生注意力不丢失，在学习的过程中素质也得到一定的培养。课件还可与教学大纲同步更新。

VR/AR近年来的具体教育应用包括以下几点。

（1）VR医疗

在虚拟手术环境中，存在各种疾病的虚拟模拟患者，学生可通过虚拟外科手术训练并独立操作。高精度成像完全超越了常规的人体保真度，允许学习者将手术作为“第一视角”进行操作。每次切刀时都会获得实时图像反馈，这可以随时增加模拟手术的张力。它提高了外科医生的技能和精确度，提高了手术的心理素质。

（2）VR军事

VR技术为士兵提供真实性极强的虚拟作战环境，不仅得到了有效的训练而且还避免了很大一部分的伤亡和事故风险。

（3）在设计领域的应用，设计师可以根据自己的思维，自己的位置，以及使用设计效果，利用Tilt brush三维立体画笔，节省了大量时间来构建“虚拟”房间。

第 三 章 工业工程实验教学体系

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